给水泵汽轮机流场的数值模拟

第39卷第2期2010年6月热力透平THERMALTURBINEVO139NO2JUN2010给水泵汽轮机流场的数值模拟徐芬，彭泽瑛上海电气电站设备有限公司汽轮机厂，上海200240摘要介绍了采用NUMECA的FINETURBO软件对超超临界1000MW机组给水泵汽轮机的三维复杂流动进行了变工况数值模拟，具体分析了3个典型工况下的反动度、攻角以及效率等的变化情况。计算分析表明，进汽参数和转速对流场的气动特性影响较大。同时，3个不同转速及负荷工况下末级叶片的流场数据为进一步的叶型优化提供了依据。关键词给水泵汽轮机；变工况；气动；数值模拟中图分类号TK262文献标识码A文章编号167255492010O2一O13OO4NUMERICALSIMULATIONOFFLOWFIELDFORBFPTXUFEN，PENGZEYINGSHANGHAIELECTRICPOWERGENERATIONEQUIPMENTCO，LTDSHANGHAITURBINEPLANT，SHANGHAI200240，CHINAABSTRACTTHENUMERICALSIMULATIONUNDERTHEOFFDESIGNOPERATIONOFBFPTISCARRIEDOUTBYAPPLYINGFINETURBOOFTHENUMECASOFTWAREFORTHEULTRASUPERCRITICALIO00MWUNIT，ANDTHEREACTION，INCIDENCEANGLEANDEFFICIENCYINTHREETYPICALCONDITIONSAREANALYZEDINDETAILTHECOMPUTATIONALRESULTSDEMONSTRATETHATTHEREISMUCHEFFECTOFINLETPARAMETERANDSPEEDONAERODYNAMICCHARACTERISTICSOFTHEFLOWFIELD。ANDTHEFLOWDATAWITHTHREETYPESOFSPEEDANDLOADCONDITIONSARESUPPLIEDFORFURTHEROPTIMIZATIONOFBLADESKEYWORDSBFPT；OFFDESIGNCONDITION；AERODYNAMICS；NUMERICALSIMULATION合理利用能源以及节能减排是当今世界解决能源问题的主要手段，现代汽轮机在向大功率、高效率的方向发展。给水泵汽轮机作为大功率汽轮发电机组不可缺少的重要辅助设备，为了适应激烈的市场竞争，必然具有更高效率、更高安全性及更高运行灵活性的特性。由于给水泵汽轮机的进汽参数和运行转速随主机变负荷运行工况而变化，因而，在产品的气动设计开发中必须充分关注复杂变化的流动状况对机组性能的影响。汽轮机气动设计的任务是根据热平衡计算提供的初始和终端参数，在满足出力的要求下进行通流部分设计确定流量、叶片尺寸、级数、合适的焓降分配、轴向排汽速度等几何和物理参数。汽轮机内部的流动相当复杂，在早期的设计过程中以一元流动为主，这种方法不能准确地描述汽轮机内部流场的真实情况。随着计算机技术及计算气动力学等相关学科的发展，汽轮机气动设计技术，包括计算方法、设计准则、设计规范等都在不断更新。三维数值模拟计算作为研究流体流动规律的一种有效途径，为汽轮机的通流设计提供了新的技术平台。本文采用NUMECA的FINETURBO软件对某百万超超临界机组用给水泵汽轮机通流部分的压力级共五级十排叶片进行了变工况三维粘性数值模拟，得到了不同工况下叶栅内部流场的流动细节，着重分析了末级动叶在3种典型工况下的流场特点，计算得到的不同工况下叶片所受的气动载荷参数，为叶片、叶轮的强度分析提供了更为精确的依据。1分析方法11数值模型在生成计算网格之前，首先需要确定计算区域，然后对整个计算域内的流场进行网格划分。本文对给水泵汽轮机除调节级之外的全部压力级共五级十排叶片进行数值模拟，计算域起始于调收稿日期20091020修订日期2010一O104作者简介徐芬1981一，女，毕业于上海交通大学动力机械及工程专业，硕士研究生，工程师，从事汽轮机通流及叶片设计工作。_圜一薯蓊鏊给水泵汽轮机流场的数值模拟热力透平节级末端、压力级进口处，计算域末端到末级动叶的出口处，为了获得稳定的流场，分别对计算域的前后端作了适当的延长处理。采用NUMECA软件中的AUTOGRID5模块生成各排叶片的计算网格，由于末三级动叶扭转比较大，为了获得高质量的网格，直接采用AUTOGRID5默认的拓扑结构，叶栅块采用O型网格，BLADETOBLADE网格结构如图1所示。壁面第一层网格尺寸为001MM，沿叶高方向的网格数为41，网格总数约为160万。由于轴封补汽量非常小，小于主蒸汽流量的千分之三，忽略补汽对整个通流部分流场的影响很小，为此，与真实的结构相比，计算网格中忽略了向通道内补入的轴封漏汽，计算区域及单通道的计算网格如图2所示。图T叶栅网格图2单通道计算网格12数值方法数值模拟基于NUMECA软件中的FINETURBO模块，采用结构化网格，求解三维定常雷诺平均的NS方程组。应用有限体积法，空间差分采用二阶中一12,差分JAMESON格式，时间项采用四阶RUNGEKUTTA法迭代求解1，湍流模型采用SPALARTALLAMARAS一方程模型。CFL数等于3，动静交接面采用混合平面方法，计算采用多重网格，结合变时间步长以及残差光顺方法加速收敛速度。当残差下降3个数量级并且基本保持不变L_3，进出口流量误差在05以内认为计算已经收敛。13边界条件针对给水泵汽轮机运行的特点，为了分析给水泵汽轮机的变工况通流特性，本文分别对低转速工况、铭牌工况和高转速工况等3种典型工况进行了数值模拟。计算中采用湿蒸汽作为流动工质，进口给定总压、总温和汽流角，并假设为轴向进汽，沿叶高方向汽流角均为9O度。出口给定平均背压为679KPA。本文分析中的工况1对应为主机75负荷、两台给水泵汽轮机运行的工况，转速为4200RMIN；工况2对应给水泵汽轮机的铭牌工况，转速为5250RRAIN；工况3对应主机VWO、单台给水泵汽轮机运行的工况，转速为6000RMIN。各工况参数如表1所示，工况1的容积流量仅为工况3的40左右，变化幅度相当大。表1计算工况2结果分析从子午通道内的流线分布可以看出如图3所示，在子午通道内汽流流动基本通畅，没有出现漩涡、脱流等不稳定流动现象，各级之间过渡基本合理。由于采用了阶梯状扩张形状的上端壁，在动叶顶部出口汽流的拐角处出现了小范围的低速区，这在一定程度上影响了整个通流的效率。图3子午面相对速度分布21反动度的分布反动度沿叶高的分布是叶片设计的一个重要指标，根部反动度不能太低以避免小流量工况时粪蠢I一匝第2期给水泵汽轮机流场的数值模拟叶片根部流动分离，顶部反动度不能太高以减少动叶顶部漏汽损失。从3种典型工况下各级反动度沿叶高的分布来看，高负荷工况高转速条件下，各级反动度沿叶高的分布值大于低负荷工况低转速条件下的反动度。转速降低时，各级反动度下降比较快。反动度的设计影响到汽轮机各级焓降的分配，在保证机组出力的同时，必须合理设计各级反动度，减少低负荷时叶片根部的脱流和倒流，以及高负荷时叶顶的大负攻角流动。图4给出了3种工况下末级叶片反动度沿叶高的分布特性。由图4可见，在设计工况下，末级反动度沿叶高的分布在0206范围内，分布还是比较合理的；即使容量流量下降到40左右工况3到工况1，末级的根部反动度仍然大于零。与一般定转速的流场，末级容积流量降低到40，根部就出现回流区的状况相比，给水泵汽轮机叶片级能在更宽广的变工况范围内保持气动性能稳定。这与经典的速度三角形理论分析转速圆周速度随负荷容积流量减少而下降，可大幅度降低叶栅进汽角的变化幅度，减缓流动状况恶化的结论是一致的。22汽流进汽角的分布从S1叶栅截面相对速度矢量以及极限流线352515萋S一51525_工况3T工况2_1工况1卜R_一L一、一JJ、JL一一，L。、，工况1|_工况20010203O405060708091相对叶高图4三种典型工况下末级反动度沿叶高分布的分布可以看出各级叶片攻角的分布。不同的工况下，受转速和流量变化的影响，各级叶片的流场差异比较大，尤其对于末三级扭叶片。动叶攻角变化的总体趋势大致是高转速下汽流进汽角增大，低转速下汽流进汽角下降。各级叶片沿叶高方向攻角随转速变化的趋势也不一致。图5给出了3种典型工况下末级和次末级动叶攻角沿叶高变化的情况，图中攻角为几何角减去汽流角。末级动叶进汽角的变化主要集中在叶片中间部分的各截面；次末级、次次末级动叶进汽角的变化从叶根到叶顶的变化逐渐变大，叶顶部位截面的变化最明显。3O篓101O一30工况3T工况2一一R一工况1，RJI一一一一J_一1L、_。0_2L相对叶高相对叶高A末级B次末级图53种典型工况下末两级攻角沿叶高分布在不同工况下，虽然各级动叶片攻角有一定的变化，但并没有引起叶型表面发生流动分离，流动情况良好。这是由于转速变化减少了进汽角的变化幅度，以及各截面叶片表面静压分布的逆压梯度比较小见图6的叶片表面静压分布曲线的原因。23静压分布叶片表面静压分布是分析叶栅三维流动中最重要的依据之一，通过它可以判断叶片的负荷分_圜鼍麓布及径向、轴向压力梯度分布，从而可以定性地判断叶型损失和二次流损失的大小，以及叶片的载荷大小。图6为末级动叶在工况2下的表面静压分布曲线。从叶片表面的静压分布可以看出各叶片汽流转捩点过早，转捩后的扩压率缓慢，扩压区大但是扩压区内的汽流比较稳定。与高效率叶型的静压分布特性相比，该叶片的型面损失并非最优，但是具有较好的变工况性能。7654；2L0。雠需给水泵汽轮机流场的数值模拟热力透平”“。自向侍。末级叶I栅出口与排汽IKRL连接，气动7J析I表明相对轴向位置刚山HJHJ士坎剀伏图6工况2时末级动叶表面静压分布末级叶片的出口压力分布与排汽缸内的流动有着变工况下各汽流参数偏离设计值，在一定程密切的联系，实际末级叶栅出口处压力分布并不度上影响了通流部分的效率。设计工况2下的效均匀，为了进一步研究给水泵汽轮机末级动叶率最高，比工况1和工况3的等熵多变效率高的强度振动性能，在后续的计算中可以采用末级2左右。在容积流量较大范N4GN40G2叶片和排汽缸联算的方式。右的情况下，包括末级叶片在内的流动均没有明显的变化，机组的变工况性能是比较理想的。参EJ考JA文M献ESONA，SHIDW，TK。LEN5。，THEEULEREQUATIONBYFINITEVOLUMEMETHODSWITHRUNGE3总坌占KFFTSTEPPGSAAIAAPPEIT，198181一I259本文使用NUMECA软件对百万超超临界机组2WJMINK。WYCZANDEMSPARROWAF“一ZNUMERICAL用给水泵汽轮机的通流部分进行变工况三维流场HTFEM_WASHINGTON,DCTAYLORFI模拟，可以直观了解给水泵汽轮机内部流场的流3N，FF。，GROFINER动细节。通过对3种典型工况下末级叶片的反动62MNUMECAINTERNATIOL，BELGI，JULY度、末两级动叶片汽流进汽角、末级动叶片静压分2004布，以及整个机组的效率等变化情况对比分析，得E43杨建道空冷50MW机组低压缸变工况三维流场数值分析到以下结论1转速与蒸汽流量的同步下降有利_J热力透平，OO。一于减缓根部反动度的下降幅度、有禾IJ于减缓叶片篙国15工0M程W热表面静压特性的变化，以及有利于减缓机组效率热机气动热力学195199娟讯我国火由棚绢效率与先进国家仍有较大差距据2010年5月24日科技日报报道，国家发改委副主任、国家能源局局长张国宝在2010年全国电力行业淘汰落后产能工作会议上透露，目前，我国3O万千瓦及以上火电机组占火电总装机比重已从“十一五”初期的4337提高到了671，高效、清洁机组已成燃煤发电主力。但全国火电单机平均规模还只有1O31万千瓦，与日本、德国等先进国家相比，在机组平均效率方面仍然存在较大差距。张国宝介绍，“十一五”以来，我国电力装机从2005年517亿千瓦增加到2009年874亿千瓦，今年肯定超过9亿千瓦。电源结构调整迈出了新步伐，全国水电装机从117亿千瓦增加到197亿千瓦；风电装机约2412万千瓦，跃居世界第三位；全国在建核电机组达23台、2540万千瓦，我国已成为全球在建核电规模最大的国家。但他同时指出，我国还存在相当一批小